肖 彬，李琳琳，張文瑾

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2.解放軍96941 部隊(duì)，北京 100085）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭呈現(xiàn)快速化、智能化趨勢(shì)，戰(zhàn)場信息復(fù)雜、戰(zhàn)場環(huán)境多變，一線指揮人員認(rèn)知能力不足的“瓶頸”日益顯現(xiàn)。戰(zhàn)術(shù)級(jí)指揮信息系統(tǒng)（Tactical-C4ISR，T-C4ISR）界面應(yīng)高效簡潔，直觀展現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)和任務(wù)信息。除遵守風(fēng)格一致、界面簡潔、人為可控等界面設(shè)計(jì)一般原則外，T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)還應(yīng)貼合指揮人員認(rèn)知，直接面向指揮決策，滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求，避免傳統(tǒng)T-C4ISR 系統(tǒng)界面數(shù)據(jù)信息龐雜、功能結(jié)構(gòu)分散、操作流程繁鎖、面向任務(wù)單一等問題。

美軍針對(duì)上述新需求，發(fā)展了T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)理論，采用生態(tài)界面設(shè)計(jì)理論完成了RAPTOR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，具備貼合認(rèn)知、高效感知、便捷決策的特點(diǎn)，有效提高了戰(zhàn)術(shù)指揮人員戰(zhàn)場感知和指揮決策能力，對(duì)我軍T-C4ISR 系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展具有一定的借鑒意義。

1 美軍T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)理論

美軍于1994 年首次提出數(shù)字化戰(zhàn)場概念，致力于建設(shè)戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)［1］。T-C4ISR 系統(tǒng)作為其中重要組成部分，其界面設(shè)計(jì)工作一并展開。目前，美軍T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)主要采用了兩種不同的界面設(shè)計(jì)理論，分別體現(xiàn)在兩種T-C4ISR系統(tǒng)中。

1.1 FBCB2 系統(tǒng)界面

美陸軍于1997 年提出了“21 世紀(jì)部隊(duì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)”（Force XXI Battle Command Brigade and Below，F(xiàn)BCB2）的概念，增強(qiáng)了戰(zhàn)術(shù)指揮人員戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)感知能力［2］。FBCB2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）理論，以確保系統(tǒng)研發(fā)效率和使用質(zhì)量。

GUI 是一種采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面，用戶通過使用類似鼠標(biāo)的輸入設(shè)備來操作屏幕上的圖標(biāo)、菜單、窗口等界面顯示元素，實(shí)現(xiàn)選擇命令、調(diào)用文件、啟動(dòng)程序或執(zhí)行各種日常任務(wù)的功能［3］。與以文本方式作為工作元素的命令行界面（Command Line Interface，CLI）相比，GUI 更人性化，對(duì)用戶更加友好，滿足用戶個(gè)性化的界面需求。目前，大多數(shù)T-C4ISR 系統(tǒng)均采用GUI 設(shè)計(jì)理論。

FBCB2 系統(tǒng)界面［4］（如圖1）設(shè)計(jì)中，GUI 理論主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面［10］：一是類比表達(dá)，為界面對(duì)象和工作域?qū)ο笾g建立起一對(duì)一映射，如圖1 中等高線表示地形的設(shè)定；二是隱喻表達(dá)，對(duì)象間不是一對(duì)一映射關(guān)系，但它們提供的信息更具象征性，如圖1 中用橢圓代表坦克履帶表示坦克分隊(duì)；三是字母數(shù)字，如用“B”代表“旅”，“T”代表“坦克”，與前兩種方式相比，這種表達(dá)與對(duì)象缺乏視覺相似性，其表達(dá)含義取決于系統(tǒng)初始定義。

FBCB2 系統(tǒng)界面受到了Bennett 等專家的批評(píng)［10］。Bennett 等人指出，依據(jù)傳統(tǒng)GUI 理論設(shè)計(jì)出的界面把強(qiáng)大的圖像表現(xiàn)功能都浪費(fèi)在與工作域毫不相關(guān)的圖形表達(dá)上，而信息傳遞效率卻很低。因此，Bennett 等人將這種界面評(píng)價(jià)為“無用用戶圖形界面”。

圖1 美軍FBCB2 系統(tǒng)基本界面

1.2 RAPTOR 系統(tǒng)界面

針對(duì)FBCB2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中的問題，美軍應(yīng)用了一種基于認(rèn)知系統(tǒng)工程（Cognitive Systems Engineering，CSE）技術(shù)框架的界面設(shè)計(jì)理論體系——生態(tài)界面設(shè)計(jì)（Ecological Interface Design，EID）理論，并成功設(shè)計(jì)出了“戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)資源輔助表達(dá)系統(tǒng)”（the Representation Aiding Portrayal of Tactical Operations Resources，RAPTOR 系統(tǒng)）界面，如圖2 所示［10］。

圖2 美軍RAPTOR 系統(tǒng)界面

RAPTOR 系統(tǒng)界面主要由我軍戰(zhàn)斗資源、敵軍戰(zhàn)斗資源、敵我力量對(duì)比、空間同步網(wǎng)格、時(shí)間同步網(wǎng)格等界面組件和一些功能按鈕組成。設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)GUI 僅關(guān)注界面表達(dá)的局限，而是對(duì)戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知能力深入思考，聚焦于更好地“支持任務(wù)中戰(zhàn)術(shù)指揮人員的決策制定或問題解決”［10］。通過界面設(shè)計(jì)，達(dá)到了全面描述任務(wù)信息和符合戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知特征的目的，提高了戰(zhàn)術(shù)指揮人員指揮決策水平。但相較于傳統(tǒng)GUI 理論，應(yīng)用EID 理論需要融合人因工程、工程心理、軟件工程等多學(xué)科，占用資源更多，設(shè)計(jì)過程更復(fù)雜，周期長、成本高，因此，對(duì)于開發(fā)周期短、生產(chǎn)任務(wù)重的裝備研制具有較高難度，因此，美軍也尚處于研究探索階段。

1.3 試驗(yàn)中兩種界面的表現(xiàn)

RAPTOR 系統(tǒng)界面研發(fā)階段，美陸軍組織進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)［10，12］，鑒定RAPTOR 系統(tǒng)和FBCB2系統(tǒng)兩種界面對(duì)戰(zhàn)術(shù)指揮人員指揮決策的支持程度。在2010 年一項(xiàng)試驗(yàn)中，工程人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)戰(zhàn)場景，對(duì)RAPTOR 系統(tǒng)界面和基本界面（模仿FBCB2 界面功能）進(jìn)行了比較試驗(yàn)。16 名經(jīng)驗(yàn)豐富的指揮員參加了這項(xiàng)試驗(yàn)?？蒲腥藛T通過作戰(zhàn)情況報(bào)告、關(guān)鍵任務(wù)監(jiān)測、指揮決策考核、任務(wù)負(fù)荷評(píng)估等方式，獲得了參試者試驗(yàn)中表現(xiàn)。作戰(zhàn)情況報(bào)告測試中，RAPTOR 系統(tǒng)界面使用者在基本界面使用者所用時(shí)間的一半時(shí)長內(nèi)，得到了兩倍準(zhǔn)確率的數(shù)據(jù)信息，如下頁圖3 所示。其他測試中，RAPTOR 系統(tǒng)界面表現(xiàn)也明顯優(yōu)于基本界面。由此可見，在T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，EID 理論確實(shí)比傳統(tǒng)的GUI 理論更有優(yōu)勢(shì)。

2 生態(tài)界面設(shè)計(jì)（EID）

生態(tài)界面設(shè)計(jì)（EID）由Rasmussen 和Vicente在1989 年首次提出，并進(jìn)行舉例、闡述［5-8］。EID 理論的基本目標(biāo)是轉(zhuǎn)變復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)中操作人員工作的行為類型——從利用有限認(rèn)知資源的活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞掷脧?qiáng)大感知和行動(dòng)能力的活動(dòng)。EID 主要圍繞著復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的3 個(gè)關(guān)鍵問題展開：1）如何完整描述工作，2）如何有效表達(dá)信息，3）如何更好設(shè)計(jì)界面。前兩個(gè)問題的解決方案構(gòu)成了EID 的理論基礎(chǔ)，第3 個(gè)問題的解決方案形成了EID 的核心設(shè)計(jì)原則，如圖4 所示。

圖4 生態(tài)界面設(shè)計(jì)（EID）理論框架

2.1 理論基礎(chǔ)

作戰(zhàn)行動(dòng)中，戰(zhàn)術(shù)指揮人員處理的事件可分為三類［7］：1）熟悉事件，即戰(zhàn)術(shù)指揮人員經(jīng)常遇到，可熟練處理的事件；2）陌生事件，即可預(yù)見但很少發(fā)生，戰(zhàn)術(shù)指揮人員缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但可按照預(yù)想方案處理的事件；3）未知事件，即極少發(fā)生并無法預(yù)想，戰(zhàn)術(shù)指揮人員獨(dú)立決策處理的事件。因此，一個(gè)有效的T-C4ISR 系統(tǒng)界面應(yīng)不僅能夠全面描述作戰(zhàn)任務(wù)信息，還要高效向戰(zhàn)術(shù)指揮人員傳遞信息，為處理3 種事件提供完整信息支持。EID 的兩項(xiàng)理論基礎(chǔ)——抽象層級(jí)（The Abstraction Hierarchy，AH） 和技能、規(guī)則和知識(shí)（Skill-，Rule-，Knowledge-based behavior，SRK）框架為解決這兩個(gè)問題提供了方案。

2.1.1 抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)（AH）

抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)是用于構(gòu)建工作域模型的分析工具［8］，它可被定義為一種多層級(jí)體系框架。其中，較高層級(jí)用來描述工作域中功能性信息，較低層級(jí)用來描述工作域中物質(zhì)性信息，上下層級(jí)間使用手段- 目的（means-end）連接進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使層級(jí)結(jié)構(gòu)更具導(dǎo)向性，為處理事件提供更多支持。

RAPTOR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，工程人員將戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)指揮控制工作域分解為如表1 所示的五級(jí)抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)［10］。其中，作戰(zhàn)目標(biāo)和任務(wù)約束是最高層級(jí)，包含任務(wù)計(jì)劃和目標(biāo)、潛在損失、公眾認(rèn)知等內(nèi)容，通過這一層級(jí)容易掌握作戰(zhàn)任務(wù)的概況，因此，具有最高認(rèn)知辨識(shí)程度；戰(zhàn)場環(huán)境屬性是結(jié)構(gòu)最底層，包含作戰(zhàn)單元位置、地形特征和天氣情況等要素，通過這一層級(jí)戰(zhàn)術(shù)指揮人員幾乎無法形成對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的直觀印象，因此，具有最低認(rèn)知辨識(shí)程度。各層級(jí)之間通過手段-目的方式進(jìn)行連接，上一層級(jí)是下一層級(jí)中活動(dòng)的依據(jù)，下一層級(jí)為上一層級(jí)活動(dòng)提供約束。例如，戰(zhàn)術(shù)指揮人員在生成策略（表1 中第二層級(jí)）時(shí)，必須將作戰(zhàn)目標(biāo)和任務(wù)約束（表1 中第一層級(jí)）作為策略的總出發(fā)點(diǎn)，而將戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)能力（表1 中第三層級(jí)）作為生成策略的限制條件。通過建立抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)，RAPTOR 系統(tǒng)界面為戰(zhàn)術(shù)指揮人員提供了處理未知事件的信息基礎(chǔ)，并為處理作戰(zhàn)中各類事件提供了引導(dǎo)幫助。

表1 戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)期間軍事指揮和控制的工作域抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)

2.1.2 技能、規(guī)則和知識(shí)（SRK）框架

技能、規(guī)則和知識(shí)（SRK）框架［10］是系統(tǒng)可靠性和認(rèn)知工程領(lǐng)域中一個(gè)被廣泛接受的用于描述人們信息處理機(jī)制的框架。其基本內(nèi)容是：信息可以用3 種不同的方式解釋，即信號(hào)、記號(hào)或符號(hào)；工作中信息的表達(dá)方式?jīng)Q定了3 種認(rèn)知控制模式中哪一種被激活，這3 種認(rèn)知控制模式分別為基于技能的行為（Skill-based behavior，SBB）、基于規(guī)則的行為（Rule-based behavior，RBB） 和 基 于 知 識(shí) 的 行 為（Knowledge-based behavior，KBB）。其中，KBB 關(guān)注基于符號(hào)表示的分析問題解決，而RBB 和SBB 則關(guān)注對(duì)現(xiàn)象的感知和行動(dòng)。三者的區(qū)別和關(guān)系如表2 所示。

表2 SBB、RBB、KBB 的比較

多數(shù)研究表明，操作人員傾向于應(yīng)用較低水平的感知處理模式（即RBB 和SBB）。界面設(shè)計(jì)中充分利用這一傾向，會(huì)帶來巨大效益，反之，將會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。但即使信息形式可直接感知，復(fù)雜任務(wù)也會(huì)引起操作人員激活高層次的認(rèn)知控制模式。因此，界面設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮前述傾向，同時(shí)為高水平認(rèn)知控制（KBB）提供支持［7］。

RAPTOR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，工程人員引入SRK框架，將戰(zhàn)術(shù)指揮人員面臨的任務(wù)，按照激活認(rèn)知控制模式水平的不同進(jìn)行分類，并將最大程度地激活戰(zhàn)術(shù)指揮人員感知處理模式作為目標(biāo)。設(shè)計(jì)還充分考慮未知事件因素，在界面中提供了抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)中所有級(jí)別的關(guān)鍵信息。

2.2 核心設(shè)計(jì)原則和方法

EID 理論中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將工作域完整地映射到界面上，以便被操作人員感知，而不需要再次處理。這就是EID 理論的核心設(shè)計(jì)原則——直接感知，該原則將界面設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)定義為把認(rèn)知任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦兄蝿?wù)。根據(jù)這一原則，在界面設(shè)計(jì)中涉及3 種映射：內(nèi)容映射、形式映射和語義映射［9］。其中，內(nèi)容映射反映有效控制系統(tǒng)所需信息在界面中的涵蓋程度，可以通過抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)來提高映射的質(zhì)量；形式映射反映操作人員準(zhǔn)確獲取界面信息的難易程度，也可解釋為界面信息能夠被直接感知的效率；語義映射則將內(nèi)容映射和形式映射進(jìn)行融合，直接改善操作人員實(shí)踐表現(xiàn)。

RAPTOR 系統(tǒng)界面各組件中均體現(xiàn)著直接感知的核心原則，以敵我力量對(duì)比界面組件為例［10］。圖5A-D 依次為一個(gè)作戰(zhàn)過程中隨時(shí)間變化的敵我力量對(duì)比情況，組件右側(cè)表示當(dāng)前敵我力量對(duì)比情況，左側(cè)部分記錄力量對(duì)比變化趨勢(shì)，其中，左下方代表敵軍力量優(yōu)于我軍，左上方代表敵軍力量不如我軍。這種界面表達(dá)能夠使戰(zhàn)術(shù)指揮人員直接獲取敵我力量對(duì)比情況和趨勢(shì)，無需通過二次認(rèn)知即可決定作戰(zhàn)策略延續(xù)或變更，使用傳統(tǒng)界面則需要占用更多時(shí)間和認(rèn)知資源才能達(dá)到同樣目的。

圖5 敵我力量對(duì)比和敵我力量對(duì)比趨勢(shì)

3 啟示及展望

雖然EID 理論在美軍各類T-C4ISR 系統(tǒng)中并未全面推廣，但美軍卻非常重視相關(guān)研究。Bennett更將RAPTOR 系統(tǒng)界面稱贊為當(dāng)前“軍事指揮控制界面的最高水平”。目前，下一代美軍T-C4ISR系統(tǒng)界面已應(yīng)用EID 理論成果開展設(shè)計(jì)，相關(guān)理論對(duì)我軍T-C4ISR 系統(tǒng)建設(shè)具有較好的借鑒意義，具體如下：

3.1 EID 理論對(duì)我軍T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的啟示

RAPTOR 系統(tǒng)界面的成功源于美軍對(duì)界面作用的深刻認(rèn)識(shí)：界面作為人機(jī)交互的媒介，直接影響系統(tǒng)功能發(fā)揮。我軍缺乏對(duì)T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)問題的關(guān)注，只是單純將傳統(tǒng)界面設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，將指揮流程作為系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，忽視戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知能力的局限，無法滿足T-C4ISR 系統(tǒng)高效簡潔、輔助決策的需求。

我軍應(yīng)重視T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，區(qū)分戰(zhàn)術(shù)級(jí)與其他層次C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的不同需求。設(shè)計(jì)中貫徹服務(wù)作戰(zhàn)、提升指揮決策水平的總目標(biāo)，突破任務(wù)鏈條的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，重組界面結(jié)構(gòu)，依托抽象層次結(jié)構(gòu)為戰(zhàn)術(shù)指揮人員處理事件進(jìn)行引導(dǎo)幫助；同時(shí)充分考慮人的因素，利用直接感知原則，減輕戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知負(fù)擔(dān)，降低界面內(nèi)容復(fù)雜性，增強(qiáng)界面信息融合能力，提高人機(jī)耦合程度，設(shè)計(jì)出高態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)、高決策支持的系統(tǒng)界面。

3.2 下一步可以開展的主要工作

EID 理論內(nèi)容豐富，在T-C4ISR 系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，可以開展研究的內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方向：

1）針對(duì)典型戰(zhàn)術(shù)任務(wù)特點(diǎn)，梳理任務(wù)中具有不同認(rèn)知辨識(shí)度的影響因素，構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)任務(wù)抽象層級(jí)結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)約束和層級(jí)間手段-目的聯(lián)系，為戰(zhàn)術(shù)指揮人員指揮決策提供引導(dǎo)幫助，為T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2）結(jié)合典型任務(wù)中戰(zhàn)術(shù)指揮人員需求，盡量將與該任務(wù)高關(guān)聯(lián)信息整合到同一界面中，對(duì)界面功能進(jìn)行優(yōu)化重組，保證界面直觀高效，符合戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知特點(diǎn)，支持高效態(tài)勢(shì)感知和快速指揮決策。

3）受戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知能力及指揮終端展現(xiàn)模式的約束，開展戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)表達(dá)方法研究，基于EID理論直接感知原則對(duì)界面模塊進(jìn)行再設(shè)計(jì)，通過數(shù)據(jù)可視化、多通道融合感知等技術(shù)，直觀呈現(xiàn)與指揮決策緊密關(guān)聯(lián)的戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)，減輕戰(zhàn)術(shù)指揮人員認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

4）在傳統(tǒng)人機(jī)界面評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上，加入有效感知和支持決策等評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展基于EID 理論的T-C4ISR 系統(tǒng)界面試驗(yàn)方法研究，設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)方法和指標(biāo)體系，完成對(duì)T-C4ISR 系統(tǒng)界面應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

EID 理論作為一種針對(duì)復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)理論，具備高效利用感知能力、緊密貼合用戶認(rèn)知、全面支持用戶決策等特點(diǎn)，能夠設(shè)計(jì)出全面覆蓋任務(wù)約束、符合操作人員認(rèn)知特征的人機(jī)界面，在T-C4ISR 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景，對(duì)于我軍目前采用的傳統(tǒng)GUI 理論界面具有重要借鑒意義。我軍應(yīng)重視EID 理論的研究應(yīng)用，緊前開展相關(guān)研究工作，推進(jìn)我軍T-C4ISR系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展。